DE102021120974A1

DE102021120974A1 - Inline measuring device for the analysis of a medium

Info

Publication number: DE102021120974A1
Application number: DE102021120974.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Weigel; Thomas Moore; Mohammad Sadegh Ebrahimi; Dietmar Frühauf; Anne Habermehl; Wolfgang Drahm; Raphael Kuhnen; Christof Huber
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Inline-Messgerät (3) für die Analyse eines Mediums (4) in einem Behälter (5) in einer Prozessanlage anhand von Kernspinresonanzen des Mediums (4), wobei der Behälter (5) insbesondere ein Tank, ein Rohr oder eine Rinne ist, mit- einer Sensoreinheit (6) mit einer Sensorkomponente (7), welche zumindest teilweise in Kontakt mit dem Medium (4) steht, wobei die Sensoreinheit (6) eine Anregungseinheit (8) zur optischen Anregung der Sensorkomponente (7) und eine Detektionseinheit (9) zur Detektion eines von den Kernspinresonanzen des Mediums (4) beeinflussten Fluoreszenzsignals aufweist,- einer Auswerteeinheit (10), welche anhand des Fluoreszenzsignals mindestens eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums (4) ermittelt.The invention relates to an inline measuring device (3) for analyzing a medium (4) in a container (5) in a process plant using nuclear spin resonances of the medium (4), the container (5) being in particular a tank, a pipe or is a trough, with a sensor unit (6) with a sensor component (7) which is at least partially in contact with the medium (4), the sensor unit (6) having an excitation unit (8) for optically exciting the sensor component (7 ) and a detection unit (9) for detecting a fluorescence signal influenced by the nuclear spin resonances of the medium (4), - an evaluation unit (10) which uses the fluorescence signal to determine at least one chemical and/or physical property of the medium (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Inline-Messgerät für die Analyse eines Mediums in einem Behälter in einer Prozessanlage anhand von Kernspinresonanzen des Mediums, wobei der Behälter insbesondere ein Tank, ein Rohr oder eine Rinne ist.The invention relates to an inline measuring device for analyzing a medium in a container in a process plant using nuclear spin resonances of the medium, the container being in particular a tank, a pipe or a channel.

Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) erlaubt die Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome sowie deren Wechselwirkungen mit den Nachbaratomen. So können mittels der NMR-Spektroskopie die Komponenten von Proben und die Strukturen von Molekülen bestimmt werden. Die NMR-Spektroskopie bildet auch die Basis der Magnetresonanztomographie, welche häufig im medizinischen oder biologischen Bereich zur Untersuchung von Geweben und Organen eingesetzt wird.Nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR spectroscopy) allows the investigation of the electronic environment of individual atoms and their interactions with neighboring atoms. The components of samples and the structures of molecules can be determined using NMR spectroscopy. NMR spectroscopy also forms the basis of magnetic resonance tomography, which is often used in the medical or biological field to examine tissues and organs.

Viele Atomkerne weisen einen von Null verschiedenen Kernspin und damit als rotierende Ladungsträger ein magnetisches Moment auf, so wie beispielsweise ¹H- oder ¹³C-Atome. Die Kernspins führen in einem statischen Magnetfeld eine präzidierende Bewegung, die sogenannten Larmorpräzession, um die Achse des konstanten Magnetfelds durch. Dabei ändern die Atomkerne die Orientierung ihrer Kernspins zum Magnetfeld durch die Absorption oder Emission von magnetischen Wechselfeldern, wenn diese resonant mit der Larmorfrequenz sind. Dieser Effekt ist auch als Kernspinresonanz bekannt. Die möglichen magnetischen Drehimpulsquantenzustände der Kernspins sind dabei äquidistant und abhängig von der Larmorfrequenz. Die Frequenz und die Dauer der Larmorpräzession sind abhängig von dem jeweiligen Kernspin, sowie seiner räumlichen und chemischen Umgebung. Die Detektion der Larmorpräzessionen anhand der Larmorfrequenzen ermöglicht somit eine sehr genaue Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Probe und der räumlichen Struktur der in der Probe enthaltenen Moleküle.Many atomic nuclei have a non-zero nuclear spin and thus a magnetic moment as rotating charge carriers, such as ¹ H or ¹³ C atoms. In a static magnetic field, the nuclear spins perform a precession movement, the so-called Larmor precession, around the axis of the constant magnetic field. The atomic nuclei change the orientation of their nuclear spins to the magnetic field through the absorption or emission of alternating magnetic fields when these are resonant with the Larmor frequency. This effect is also known as nuclear magnetic resonance. The possible magnetic angular momentum quantum states of the nuclear spins are equidistant and dependent on the Larmor frequency. The frequency and duration of the Larmor precession depend on the respective nuclear spin and its spatial and chemical environment. The detection of the Larmor precessions based on the Larmor frequencies thus enables a very precise determination of the chemical composition of the sample and the spatial structure of the molecules contained in the sample.

Das magnetische Wechselfeld wird in der Regel durch eine Magnetspule erzeugt. In der konventionellen NMR-Spektroskopie werden in der Regel induktive Verfahren zur Detektion der Kernspinresonanzen verwendet. So ist die Probe häufig von einer Induktionsspule umgeben, in welcher eine elektrische Spannung durch die von den präzidierenden Kernspins emittierten magnetischen Wechselfelder erzeugt wird. Typischerweise werden starke statische Magnetfelder von bis zu 25 T zur Polarisierung der Kernspins eingesetzt, um eine Vorzugspolarisation von gleichartig ausgerichteten Kernspins und somit eine Magnetisierung zu erhalten, die mit herkömmlichen Magnetfeldsensoren messbar ist. Eine Miniaturisierung der NMR-Messgeräte ist damit in der Regel nicht möglich.The alternating magnetic field is usually generated by a magnetic coil. In conventional NMR spectroscopy, inductive methods are generally used to detect nuclear magnetic resonances. The sample is often surrounded by an induction coil in which an electrical voltage is generated by the alternating magnetic fields emitted by the nuclear spins occurring. Typically, strong static magnetic fields of up to 25 T are used to polarize the nuclear spins in order to obtain a preferred polarization of nuclear spins aligned in the same way and thus a magnetization that can be measured with conventional magnetic field sensors. As a rule, miniaturization of the NMR measuring devices is not possible.

In der Regel werden NMR-Messgeräte zur Untersuchung von Proben ex situ eingesetzt. Es gibt jedoch auch Beispiele für Inline-Messungen an Medien. Aus der WO 2021/079027 A1 ist beispielsweise eine NMR-Messeinheit bekannt geworden, welche einen vom Medium separierten Flusskanal aufweist, innerhalb dessen mittels einer Spule und eines Magneten NMR-Messungen am Medium durchgeführt werden.As a rule, NMR measuring devices are used to examine samples ex situ. However, there are also examples of inline measurements on media. From the WO 2021/079027 A1 For example, an NMR measuring unit has become known which has a flow channel separated from the medium, within which NMR measurements are carried out on the medium by means of a coil and a magnet.

Aus der EP 3 198 264 B1 ist ein Atemgasanalysegerät zur NMR-Analyse von Substanzen einer Probe bekannt geworden. Als Magnetfeldsensor werden Diamantenstrukturen mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren eingesetzt.From the EP 3 198 264 B1 a breath gas analyzer for NMR analysis of substances in a sample has become known. Diamond structures with nitrogen vacancy centers are used as magnetic field sensors.

Die letztere Art von Magnetfeldsensor fällt in den Bereich der sogenannten Quantensensoren, bei welchen unterschiedlichste Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Messgrößen genutzt werden. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung sind solche Ansätze insbesondere mit Hinblick auf ein zunehmendes Bestreben zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Sensoren interessant.The latter type of magnetic field sensor falls into the area of the so-called quantum sensors, in which a wide variety of quantum effects are used to determine various physical and/or chemical measured variables. In the field of industrial process automation, such approaches are of particular interest with regard to the increasing efforts towards miniaturization while at the same time increasing the performance of the respective sensors.

Quantensensoren basieren darauf, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern sowie Gravitationsfeldern mit Auflösungen im Nanometerbereich möglich. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Spin-basierte Sensoranordnungen bekannt geworden, für welche atomare Übergänge in Kristallkörpern zur Detektion von Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch unterschiedliche auf quantenoptischen Effekten basierende Systeme bekannt geworden, wie beispielsweise Quantengravimeter oder optisch gepumpte Magnetometer, wobei insbesondere letztere u.a. auf Gaszellen basieren.Quantum sensors are based on the fact that certain quantum states of individual atoms can be very precisely controlled and read out. In this way, for example, precise and low-interference measurements of electric and/or magnetic fields and gravitational fields with resolutions in the nanometer range are possible. In this context, various spin-based sensor arrangements have become known, for which atomic transitions in crystal bodies are used to detect changes in movements, electric and/or magnetic fields or gravitational fields. In addition, various systems based on quantum-optical effects have also become known, such as quantum gravimeters or optically pumped magnetometers, the latter in particular being based on gas cells, among other things.

Beispielsweise sind im Bereich Spin-basierter Quantensensoren verschiedene Vorrichtungen bekannt geworden, welche atomare Übergänge, beispielsweise in verschiedenen Kristallkörpern, ausnutzen, um bereits geringe Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern zu erkennen. Typischerweise wird als Kristallkörper Diamant mit zumindest einem Silizium- oder Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum verwendet. Die Kristallkörper können grundsätzlich ein oder mehrere Fehlstellen aufweisen.For example, in the field of spin-based quantum sensors, various devices have become known which use atomic transitions, for example in various crystal bodies, in order to detect even small changes in movements, electric and/or magnetic fields or gravitational fields. Typically, diamond with at least one silicon or nitrogen vacancy center, silicon carbide with at least one silicon vacancy or hexagonal boron nitride with at least one vacancy color center is used as the crystal body. In principle, the crystal bodies can have one or more defects.

Ein weiterer Teilbereich im Feld von Quantensensoren betrifft Gaszellen, in welchen atomare Übergänge sowie Spinzustände u.a. zur Bestimmung magnetischer und/elektrischer Eigenschaften optisch abgefragt werden können. In der Regel liegen in der Gaszelle ein gasförmiges Alkalimetall sowie ein Puffergas vor. Magnetische Eigenschaften eines umgebenden Mediums können durch in der Gaszelle erzeugte Rydbergzustände bestimmt werden. Beispielsweise werden Gaszellen in quantenbasierten Standards eingesetzt, welche physikalische Größen mit hoher Präzision bereitstellen. So werden sie seit langem in Frequenzstandards bzw. Atomuhren eingesetzt, wie aus der EP 0 550 240 B1 bekannt.Another sub-area in the field of quantum sensors relates to gas cells, in which atomic transitions and spin states can be queried optically to determine magnetic and/or electrical properties, among other things. A gaseous alkali metal and a buffer gas are usually present in the gas cell. Magnetic properties of a surrounding medium can be determined by Rydberg states generated in the gas cell. For example, gas cells are used in quantum-based standards that provide physical quantities with high precision. So they have long been used in frequency standards or atomic clocks, such as from the EP 0 550 240 B1 known.

Die Kernspins des zu untersuchenden Mediums liegen für gewöhnlich im thermischen Gleichgewicht vor, so dass die Nettopolarisation über alle Kernspins des Mediums in etwa Null ist. Dies führt auch beim Einsatz von Quantensensoren in der Regel zu sehr langen Messzeiten, da der Anteil des Rauschens gegenüber dem Anteil des Kernspinresonanzsignals im optischen Signal relativ hoch ist. Um die Sensitivität der Messung zu verbessern, wird daher häufig ein Induktor eingesetzt, welcher die thermische Gleichgewichtsverteilung der Kernspins stört und eine Vorzugspolarisation der Kernspins induziert, so dass die Nettopolarisation über alle Kernspins des Mediums im Bereich der Sensorkomponente ungleich Null ist. In herkömmlichen NMR-Messgeräten wird dies mittels einer Magnetfeldeinrichtung erreicht. Anstelle einer Magnetfeldeinrichtung kann der Induktor auf anderen Methoden der Hyperpolarisierung beruhen, also z.B. in Form von durch das Medium geströmtem para-Wasserstoff ausgestaltet sein. Durch Stöße des para-Wasserstoffs mit dem Medium wird der Spinzustand des para-Wasserstoffs auf das Medium übertragen, so dass die Kernspin des Mediums eine Vorzugspolarisation erhalten. Es ist auch möglich, den Induktor als Laserquelle und/oder Mikrowellenantenne auszugestalten und damit eine Vorzugspolarisation in den Elektronenspins des Quantensensors zu induzieren und diese Vorzugspolarisation anschließend auf das Medium zu übertragen. Einer fachlich qualifizierten Person sind derartige Methoden als „hyperpolarization“ oder „dynamic nuclear polarization“ bekannt (siehe z.B. S. Pustelny et al., The Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12, 787, oder I. Schwartz et al., Scientific Reports 2019, 9, 6938).The nuclear spins of the medium to be examined are usually in thermal equilibrium, so that the net polarization over all nuclear spins of the medium is approximately zero. Even when using quantum sensors, this usually leads to very long measurement times, since the noise component is relatively high compared to the nuclear magnetic resonance signal component in the optical signal. In order to improve the sensitivity of the measurement, an inductor is often used, which disturbs the thermal equilibrium distribution of the nuclear spins and induces a preferential polarization of the nuclear spins, so that the net polarization over all nuclear spins of the medium in the area of the sensor component is not equal to zero. In conventional NMR measuring devices, this is achieved by means of a magnetic field device. Instead of a magnetic field device, the inductor can be based on other methods of hyperpolarization, e.g. in the form of para-hydrogen flowing through the medium. The spin state of the para-hydrogen is transferred to the medium by collisions of the para-hydrogen with the medium, so that the nuclear spin of the medium obtains a preferential polarization. It is also possible to configure the inductor as a laser source and/or microwave antenna and thus to induce a preferred polarization in the electron spins of the quantum sensor and then to transfer this preferred polarization to the medium. Such methods are known to a technically qualified person as "hyperpolarization" or "dynamic nuclear polarization" (see e.g. S. Pustelny et al., The Journal of Physical Chemistry Letters 2021, 12, 787, or I. Schwartz et al., Scientific Reports 2019, 9, 6938).

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Inline-Messgerät zur Analyse eines Mediums anhand von dessen Kernspinresonanzen anzugeben.It is therefore the object of the present invention to specify a simple inline measuring device for analyzing a medium using its nuclear spin resonances.

Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Inline-Messgerät für die Analyse eines Mediums in einem Behälter in einer Prozessanlage anhand von Kernspinresonanzen des Mediums, wobei der Behälter insbesondere ein Tank, ein Rohr oder eine Rinne ist, mit

- einer Sensoreinheit mit einer Sensorkomponente, welche zumindest teilweise in Kontakt mit dem Medium steht, wobei die Sensoreinheit eine Anregungseinheit zur optischen Anregung der Sensorkomponente und eine Detektionseinheit zur Detektion eines von den Kernspinresonanzen des Mediums beeinflussten Fluoreszenzsignals aufweist,
- einer Auswerteeinheit, welche anhand des Fluoreszenzsignals mindestens eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums ermittelt.

The present object is achieved according to the invention by an inline measuring device for analyzing a medium in a container in a process plant using nuclear spin resonances of the medium, the container being in particular a tank, a pipe or a trough, with

- a sensor unit with a sensor component which is at least partially in contact with the medium, the sensor unit having an excitation unit for optically exciting the sensor component and a detection unit for detecting a fluorescence signal influenced by the nuclear spin resonances of the medium,
- An evaluation unit which determines at least one chemical and/or physical property of the medium based on the fluorescence signal.

Das erfindungsgemäße Inline-Messgerät ist an einem Behälter innerhalb einer Prozessanlage angeordnet und ermittelt mindestens eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums anhand eines optischen Signals, in diesem Fall eines Fluoreszenzsignals. Die Sensoreinheit berührt mindestens teilweise das Medium, so dass die Sensorkomponente unter optischer Anregung mittels der Anregungseinheit ein Fluoreszenzsignal aussendet, welches von den Kernspinresonanzen des Mediums beeinflusst ist. Das Fluoreszenzsignal steht dabei in einem direkten kausalen Zusammenhang mit den Kernspinresonanzen des Mediums, so dass die Kernspinresonanzen in Abhängigkeit des Fluoreszenzsignals ermittelt werden können. In der Regel berührt die Sensorkomponente das Medium mit zumindest einer Fläche der Sensoreinheit. Die Anregungseinheit und/oder die Detektionseinheit können ggf. von dem Medium abgesetzt angeordnet sein. Die Auswerteeinheit ist in der Regel außerhalb des Behälters angeordnet und kann beispielsweise in einem von der Sensoreinheit separaten Gehäuse angeordnet sein. Weitere optische Komponenten wie Spiegel, Filter u.ä. sind ggf. im Bereich der Sensoreinheit angeordnet, um das Anregungslicht der Anregungseinheit zur Sensorkomponente und/oder das Fluoreszenzsignal zur Detektionseinheit zu lenken. Beispielsweise können Lichtleitfasern für die Führung des Anregungslichts und/oder des Fluoreszenzlichts eingesetzt werden, so dass die Anregungseinheit und/oder die Detektionseinheit beabstandet zum Medium angeordnet sein können.The inline measuring device according to the invention is arranged on a container within a process plant and determines at least one chemical and/or physical property of the medium using an optical signal, in this case a fluorescence signal. The sensor unit touches the medium at least partially, so that the sensor component emits a fluorescence signal under optical excitation by means of the excitation unit, which is influenced by the nuclear spin resonances of the medium. The fluorescence signal is in a direct causal relationship with the nuclear spin resonances of the medium, so that the nuclear spin resonances can be determined as a function of the fluorescence signal. As a rule, the sensor component touches the medium with at least one surface of the sensor unit. The excitation unit and/or the detection unit can optionally be arranged separately from the medium. The evaluation unit is usually arranged outside of the container and can be arranged, for example, in a housing that is separate from the sensor unit. Other optical components such as mirrors, filters, etc. are possibly arranged in the area of the sensor unit in order to direct the excitation light of the excitation unit to the sensor component and/or the fluorescence signal to the detection unit. For example, optical fibers can be used to guide the excitation light and/or the fluorescent light, so that the excitation unit and/or the detection unit can be arranged at a distance from the medium.

Das erfindungsgemäße Inline-Messgerät erlaubt eine Online-Überwachung des Mediums innerhalb des Behälters, ohne dass eine Probe des Mediums aus dem Behälter entnommen und in einem vom Prozess separaten NMR-Messgerät analysiert werden muss. Im Gegensatz zu dem in der Einleitung beschriebenen Atemgasanalysegerät und dem NMR-Messgerät weist das erfindungsgemäße Messgerät weiterhin keinen schmalen Fluidkanal auf, durch welchen das Medium hindurchfließen muss. Durch das zumindest teilweise Einbringen der Sensoreinheit in das Medium entfallen Probleme wie ein Verstopfen des Fluidkanals und eine damit einhergehende erhöhte Wartungsanfälligkeit.The inline measuring device according to the invention allows online monitoring of the medium within the container without having to take a sample of the medium from the container and analyze it in an NMR measuring device that is separate from the process. In contrast to the respiratory gas analyzer and the NMR measuring device described in the introduction, the measuring device according to the invention does not have a narrow fluid channel through which the medium can flow must. The at least partial introduction of the sensor unit into the medium eliminates problems such as clogging of the fluid channel and an associated increased susceptibility to maintenance.

Vorteilhafterweise weist die Sensorkomponente zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle oder zumindest eine Gaszelle auf. Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle als auch Gaszellen zeigen unter entsprechender optischer Anregung ein Fluoreszenzsignal, welches unter anderem von einem an dem Kristallkörper oder der Gaszelle anliegenden Magnetfeld abhängig bzw. beeinflussbar ist. Die Kernspinresonanzen des Mediums beeinflussen das anliegende Magnetfeld, so dass mindestens eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums anhand des Fluoreszenzsignals ermittelbar ist. Optional wird der Kristallkörper zusätzlich mittels einer Antenne mit einem Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal angeregt. Sowohl der Kristallkörper mit dem zumindest einem Fehlstellen-Zentrum als auch die Gaszelle führen zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit der Detektion der Kernspinresonanzen des Mediums und damit der mindestens einen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft des Mediums aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern. Darüber hinaus kann anhand des Fluoreszenzsignals eine Aussage über die magnetische Flussdichte, die magnetische Suszeptibilität, die magnetische Permeabilität oder einer weiteren mit zumindest einer dieser Größen in Beziehung stehenden Größe ermittelt werden.The sensor component advantageously has at least one crystal body with at least one defect or at least one gas cell. Crystal bodies with at least one defect as well as gas cells show a fluorescence signal under appropriate optical excitation, which is dependent or can be influenced, among other things, by a magnetic field applied to the crystal body or the gas cell. The nuclear spin resonances of the medium influence the applied magnetic field, so that at least one chemical and/or physical property of the medium can be determined using the fluorescence signal. Optionally, the crystal body is additionally excited by means of an antenna with a high-frequency or microwave signal. Both the crystal body with the at least one defect center and the gas cell lead to an improvement in the measuring accuracy of the detection of the nuclear magnetic resonances of the medium and thus the at least one chemical and/or physical property of the medium due to their high sensitivity to magnetic fields. In addition, the fluorescence signal can be used to determine the magnetic flux density, the magnetic susceptibility, the magnetic permeability or another variable related to at least one of these variables.

In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Kristallkörper um einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum.In one configuration, the crystal body is a diamond with at least one nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect, or hexagonal boron nitride with at least one defect color center.

In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei der Gaszelle um eine zumindest ein gasförmiges Alkalimetall einschließende Zelle. In a further embodiment, the gas cell is a cell enclosing at least one gaseous alkali metal.

In einer Ausgestaltung ist die Sensoreinheit zumindest teilweise auf einem ersten Messarm angeordnet, welcher zumindest teilweise innerhalb des Behälters angeordnet ist. Die Sensorkomponente berührt damit mindestens abschnittsweise das Medium. Die Anregungseinheit und/oder die Detektionseinheit können im Bereich des Messarms oder vom Messarm beabstandet oder außerhalb des Behälters angeordnet sein.In one embodiment, the sensor unit is at least partially arranged on a first measuring arm, which is at least partially arranged inside the container. The sensor component thus touches the medium at least in sections. The excitation unit and/or the detection unit can be arranged in the area of the measuring arm or at a distance from the measuring arm or outside of the container.

Bevorzugt ist der erste Messarm zwischen einer Servicestellung und einer Prozessstellung beweglich, wobei sich der erste Messarm in Servicestellung in einer Servicekammer befindet. In der Prozessstellung ist eine Analyse des Mediums möglich, d.h. der erste Messarm ragt zumindest teilweise in das Medium hinein, während in der Servicestellung der erste Messarm in die Servicekammer bewegt wird, um den ersten Messarm zu warten. Die Wartung des ersten Messarms kann beispielsweise eine Reinigung, eine Reparatur, eine Kalibrierung o.ä. sein.The first measuring arm is preferably movable between a service position and a process position, the first measuring arm being located in a service chamber in the service position. In the process position, an analysis of the medium is possible, i.e. the first measuring arm protrudes at least partially into the medium, while in the service position the first measuring arm is moved into the service chamber in order to service the first measuring arm. The maintenance of the first measuring arm can be, for example, cleaning, repair, calibration or the like.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Sensorkomponente und/oder die Detektionseinheit zumindest teilweise auf einem zweiten Messarm angeordnet, welcher zumindest teilweise innerhalb des Behälters angeordnet ist. Anstelle eines einzelnen ersten Messarm kann zusätzlich ein zweiter Messarm vorgesehen sein. Die Sensoreinheit kann somit auf die beiden Messarme aufgeteilt werden. Sofern die Sensoreinheit einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle oder eine Gaszelle aufweist, kann diese/r beispielsweise zusammen mit der Anregungseinheit auf dem ersten Messarm und die Detektionseinheit auf dem zweiten Messarm angeordnet sein.In a further embodiment, the sensor component and/or the detection unit are at least partially arranged on a second measuring arm, which is at least partially arranged inside the container. Instead of a single first measuring arm, a second measuring arm can also be provided. The sensor unit can thus be divided between the two measuring arms. If the sensor unit has a crystal body with at least one defect or a gas cell, this can be arranged, for example, together with the excitation unit on the first measuring arm and the detection unit on the second measuring arm.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der erste Messarm und der zweite Messarm als zwei separate Messarme oder als zwei untereinander verbundene Messarme ausgestaltet.In a further embodiment, the first measuring arm and the second measuring arm are configured as two separate measuring arms or as two measuring arms connected to one another.

Vorteilhafterweise ist ein Mechanismus am ersten Messarm und/oder am zweiten Messarm vorgesehen, der für einen einstellbaren Abstand zwischen den erstem Messarm und dem zweiten Messarm sorgt. Insbesondere sind der erste Messarm und/oder der zweite Messarm mittels des Mechanismus beweglich zueinander ausgestaltet, so dass ein Abstand zwischen den beiden Messarmen eingestellt werden kann.A mechanism is advantageously provided on the first measuring arm and/or on the second measuring arm, which ensures an adjustable distance between the first measuring arm and the second measuring arm. In particular, the first measuring arm and/or the second measuring arm are designed to be movable relative to one another by means of the mechanism, so that a distance between the two measuring arms can be adjusted.

Bevorzugterweise ist ein, ggf. einstellbarer, Abstand zwischen dem ersten Messarm und dem zweiten Messarm derart ausgelegt, dass das Medium durch Adhäsion zumindest im Bereich der Sensorkomponente teilweise zwischen dem ersten Messarm und dem zweiten Messarm festgehalten wird. Die Ermittlung des von den Kernspinresonanzen beeinflussten Fluoreszenzsignals wird durch das Fließen des Mediums erschwert. Durch die längere Verweilzeit des Mediums zwischen den beiden Messarmen kann eine längere Messzeit und damit eine bessere Auflösung des Fluoreszenzsignals erreicht werden.A possibly adjustable distance between the first measuring arm and the second measuring arm is preferably designed in such a way that the medium is partially held between the first measuring arm and the second measuring arm by adhesion at least in the region of the sensor component. The determination of the fluorescence signal influenced by nuclear magnetic resonance is made more difficult by the flow of the medium. Due to the longer dwell time of the medium between the two measuring arms, a longer measuring time and thus a better resolution of the fluorescence signal can be achieved.

In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Blende im Bereich der Sensoreinheit angeordnet, derart dass das Medium durch Adhäsion zumindest im Bereich der Sensorkomponente teilweise festgehalten wird. Mittels der Blende und der damit verbundenen erhöhten Verweilzeit des Mediums wird somit eine verbesserte Sensitivität der Sensoreinheit erreicht.In a further refinement, a screen is arranged in the area of the sensor unit in such a way that the medium is partially held in place by adhesion at least in the area of the sensor component. Improved sensitivity of the sensor unit is thus achieved by means of the aperture and the associated increased dwell time of the medium.

In einer alternativen Ausgestaltung ist die Sensorkomponente zumindest teilweise auf einem dritten Messarm angeordnet, wobei der dritte Messarm zwischen einem vierten Messarm und einem fünften Messarm angeordnet ist, wobei der dritte Messarm, der vierte Messarm und der fünfte Messarm zumindest teilweise innerhalb des Behälters angeordnet sind, wobei die Anregungseinheit und die Detektionseinheit zumindest teilweise auf dem vierten Messarm und/oder auf dem fünften Messarm angeordnet sind.In an alternative embodiment, the sensor component is at least partially arranged on a third measuring arm, the third measuring arm being arranged between a fourth measuring arm and a fifth measuring arm, the third measuring arm, the fourth measuring arm and the fifth measuring arm being arranged at least partially inside the container, wherein the excitation unit and the detection unit are arranged at least partially on the fourth measuring arm and/or on the fifth measuring arm.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist die Sensorkomponente zumindest teilweise im Bereich einer Wandung des Behälters angeordnet, wobei die Anregungseinheit und/oder die Detektionseinheit im Bereich der Wandung oder außerhalb des Behälters angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung ragt lediglich die Sensorkomponente in den Behälter hinein oder schließt mit der Wandung des Behälters ab, so dass das Inline-Messgerät die Strömung des Mediums nicht beeinflusst.In a further alternative embodiment, the sensor component is arranged at least partially in the area of a wall of the container, with the excitation unit and/or the detection unit being arranged in the area of the wall or outside of the container. In this embodiment, only the sensor component protrudes into the container or closes with the wall of the container, so that the inline measuring device does not affect the flow of the medium.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Induktor vorgesehen, welcher dazu ausgestaltet ist, eine Vorzugspolarisation der Kernspins des Mediums zu induzieren. Der Induktor ist insbesondere eine Magnetfeldeinrichtung, welche ein, insbesondere statisches, Magnetfeld zumindest in einem Bereich des Mediums und im Bereich der Sensoreinheit erzeugt. Anstelle einer Magnetfeldeinrichtung kann der Induktor auf anderen Methode der Hyperpolarisierung beruhen, also z.B. in Form von durch das Medium geströmten para-Wasserstoff ausgestaltet sein. Es ist auch möglich, den Induktor als Laserquelle und/oder Mikrowellenantenne auszugestalten und somit eine Vorzugspolarisation in den Elektronspins der Sensorkomponente zu induzieren und diese Vorzugspolarisation der Elektronenspins anschließend auf die Kernspins des Mediums zu übertragen. Als Laserquelle kann insbesondere die Anregungseinheit eingesetzt werden. Die Mikrowellenantenne kann sowohl zur Induktion einer Vorzugspolarisation der Kernspins des Mediums als auch zur Anregung der Sensorkomponente eingesetzt werden.In a further refinement, an inductor is provided which is designed to induce a preferred polarization of the nuclear spins of the medium. The inductor is in particular a magnetic field device which generates a, in particular static, magnetic field at least in a region of the medium and in the region of the sensor unit. Instead of a magnetic field device, the inductor can be based on other methods of hyperpolarization, e.g. in the form of para-hydrogen flowing through the medium. It is also possible to configure the inductor as a laser source and/or microwave antenna and thus to induce a preferred polarization in the electron spins of the sensor component and then to transfer this preferred polarization of the electron spins to the nuclear spins of the medium. In particular, the excitation unit can be used as the laser source. The microwave antenna can be used both to induce a preferred polarization of the nuclear spins of the medium and to excite the sensor components.

In einer weiteren Ausgestaltung ist im Bereich der Sensorkomponente eine Wechselfrequenzquelle vorgesehen, welche der Anregung der Sensorkomponente und/oder des Mediums dient. Das Einbringen von Wechselfeldern kann genutzt werden, um typische, aus der NMR-Spektroskopie bekannte Anrege-Abfragesequenzen durchzuführen, wie beispielsweise das Spin-Echo-Verfahren oder die sogenannte XY8N-Sequenz, bei denen die Magnetisierung der Kernspins mithilfe des Wechselfelds gezielt eingestellt und beobachtet wird. Mithilfe dieser Sequenzen können auch schnell wechselnde Magnetfelder durch verschiedene im Bereich der Sensorkomponente vorliegenden Komponenten des Mediums präzise detektiert werden. Die Wechselfrequenzantenne kann beispielsweise eine Mikrowellenantenne sein.In a further embodiment, an alternating frequency source is provided in the area of the sensor component, which is used to excite the sensor component and/or the medium. The introduction of alternating fields can be used to carry out typical excitation-query sequences known from NMR spectroscopy, such as the spin-echo method or the so-called XY8N sequence, in which the magnetization of the nuclear spins is specifically adjusted and observed using the alternating field becomes. With the help of these sequences, rapidly changing magnetic fields can also be precisely detected by various components of the medium present in the area of the sensor component. The alternating frequency antenna can be a microwave antenna, for example.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Sensorkomponente als Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle ausgestaltet, wobei der Kristallkörper als eine Vielzahl von losen, granularen Teilelementen ausgestaltet ist, wobei die Teilelemente insbesondere von einem teilweise mediumsdurchlässigen Gehäuse eingeschlossen sind. Durch die Ausgestaltung der Sensorkomponente aus einer Vielzahl von losen, granularen Teilelementen wird im Gegensatz zu einem einzelnen Kristallkörper die sensitive Oberfläche des Kristallkörpers stark erhöht, so dass eine höhere Sensitivität des Inline-Messgeräts erreicht wird. Die losen, granularen Teilelemente können beispielsweise als kugelförmige, quaderförmige oder ovale Körper ausgestaltet sein. Die Durchmesser der losen, granularen Teilelemente sind dabei insbesondere kleiner als 1 cm. Das Gehäuse ist dabei derart ausgestaltet, dass die Teilelemente im Gehäuse eingeschlossen sind, aber in Kontakt mit dem Medium stehen.In a further embodiment, the sensor component is designed as a crystal body with at least one defect, the crystal body being designed as a multiplicity of loose, granular sub-elements, with the sub-elements being enclosed in particular by a partially medium-permeable housing. By configuring the sensor component from a large number of loose, granular sub-elements, the sensitive surface of the crystal body is greatly increased in contrast to a single crystal body, so that a higher sensitivity of the inline measuring device is achieved. The loose, granular partial elements can be designed, for example, as spherical, cuboid or oval bodies. The diameters of the loose, granular partial elements are in particular less than 1 cm. The housing is designed in such a way that the partial elements are enclosed in the housing but are in contact with the medium.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren 1 - 8 näher erläutert werden. Sie zeigen:

1: ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant.
2: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inline-Messgeräts.
3: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inline-Messgeräts.
4: eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inline-Messgeräts.
5: eine vierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inline-Messgeräts.
6: eine fünfte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inline-Messgeräts.
7: eine sechste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inline-Messgeräts.
8: eine siebte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inline-Messgeräts.

In the following, the invention is based on the figures 1 - 8th be explained in more detail. They show:

1 : a simplified energy scheme for a negatively charged NV center in diamond.
2 : a first embodiment of the inline measuring device according to the invention.
3 : a second embodiment of the inline measuring device according to the invention.
4 : a third embodiment of the inline measuring device according to the invention.
5 : a fourth embodiment of the inline measuring device according to the invention.
6 : a fifth embodiment of the inline measuring device according to the invention.
7 : a sixth embodiment of the inline measuring device according to the invention.
8th : a seventh embodiment of the inline measuring device according to the invention.

In 1 ist ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum) in einem Diamanten gezeigt, um die Anregung und die Fluoreszenz einer Fehlstelle in einem Kristallkörper beispielhaft zu erläutern. Die folgenden Überlegungen lassen sich auf andere Kristallkörper mit entsprechenden Fehlstellen übertragen.In 1 A simplified energy scheme for a negatively charged nitrogen vacancy (NV) center in diamond is shown to exemplify the excitation and fluorescence of a vacancy in a crystalline body. The following considerations can be transferred to other crystal bodies with corresponding defects.

Im Diamant ist typischerweise jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Ein nitrogen vacancy-Zentrum (NV-Zentrum) besteht aus einer Fehlstelle im Diamantgitter, also einem unbesetzten Gitterplatz, und einem Stickstoffatom als einem der vier Nachbaratome. Insbesondere die negativ geladenen NV^--Zentren sind für die Anregung und Auswertung von Fluoreszenzsignalen von Bedeutung. Im Energieschema eines negativ geladenen NV-Zentrums findet sich neben einem Triplett-Grundzustand ³A ein angeregter Triplett-Zustand ³E, welche jeweils drei magnetische Unterzustände m_s=0,±1 aufweisen. Weiterhin befinden sich zwei metastabile Singulett-Zustände ¹A und ¹E zwischen dem Grundzustand ³A und dem angeregten Zustand ³E. In Abwesenheit eines externen Magnetfelds tritt eine Aufspaltung der beiden Zustände m_s= +/-1 von dem Grundzustand m_s=0 auf, welche als Nullfeldaufspaltung Δ bezeichnet wird und welche abhängig von der Temperatur T ist.In diamond, each carbon atom is typically kova with four other carbon atoms connected. A nitrogen vacancy center (NV center) consists of a defect in the diamond lattice, i.e. an unoccupied lattice site, and a nitrogen atom as one of the four neighboring atoms. In particular, the negatively charged NV ^- centers are important for the excitation and evaluation of fluorescence signals. In the energy scheme of a negatively charged NV center there is a triplet ground state ³ A and an excited triplet state ³ E, each of which has three magnetic substates m _s =0,±1. Furthermore, there are two metastable singlet states ¹ A and ¹ E between the ground state ³ A and the excited state ³ E. In the absence of an external magnetic field, a splitting of the two states m _s = +/-1 from the ground state m _s =0 occurs which is called the zero field splitting Δ and which depends on the temperature T.

Durch Anregungslicht 1 aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht 1 mit einer Wellenlänge von 532 nm, findet eine Anregung eines Elektrons aus dem Grundzustand ³A in einen Vibrationszustand des angeregten Zustand ³E statt, welches unter Aussenden eines Fluoreszenz-Photons 2 mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand ³A zurückkehrt. Dieses Fluoreszenzsignal ist ein Maß für die Nullfeldaufspaltung Δ und kann zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur T herangezogen werden.Excitation light 1 from the green range of the visible spectrum, e.g. excitation light 1 with a wavelength of 532 nm, excites an electron from the ground state ³ A into a vibrational state of the excited state ³ E, which emits a fluorescence photon 2 returns to the ³ A ground state with a wavelength of 630 nm. This fluorescence signal is a measure of the zero field splitting Δ and can be used to determine and/or monitor the temperature T.

Ein angelegtes Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke B führt zu einer Aufspaltung (Zeeman-Splitting) der magnetischen Unterzustände, so dass der Grundzustand aus drei energetisch separierten Unterzuständen besteht, von denen jeweils eine Anregung erfolgen kann. Die Intensität des Fluoreszenzsignals ist jedoch abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die Magnetfeldstärke B mithilfe der Zeeman-Formel berechnet werden kann. Die Magnetfeldstärke B wird durch die Kernspins des Mediums 4 modifiziert oder ergibt sich aus diesen.An applied magnetic field with a magnetic field strength B leads to a splitting (Zeeman splitting) of the magnetic sub-states, so that the ground state consists of three energetically separated sub-states, each of which can be excited. However, the intensity of the fluorescence signal depends on the respective magnetic substate from which the excitation took place, so that the distance between the fluorescence minima can be used, for example, to calculate the magnetic field strength B using the Zeeman formula. The magnetic field strength B is modified by the nuclear spins of the medium 4 or results from them.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind weitere Möglichkeiten der Auswertung des Fluoreszenzsignals vorgesehen, wie beispielsweise die Auswertung der Intensität des Fluoreszenzlichts, welche dem angelegten Magnetfeld ebenfalls proportional ist. Eine elektrische Auswertung wiederum kann beispielsweise über eine Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (engl. kurz PDMR) erfolgen. Alternativ können wie bereits beschrieben verschiedene Anrege-Abfragesequenzen zur gezielten Kontrolle und Manipulation der Kernspins eingesetzt werden. Neben diesen Beispielen zur Auswertung des Fluoreszenzsignals sind noch weitere Möglichkeiten vorhanden, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.Further options for evaluating the fluorescence signal are provided within the scope of the present invention, such as evaluating the intensity of the fluorescent light, which is also proportional to the applied magnetic field. An electrical evaluation, in turn, can be carried out, for example, via photocurrent detection of magnetic resonance (PDMR for short). Alternatively, as already described, various excitation-interrogation sequences can be used for the targeted control and manipulation of the nuclear spins. In addition to these examples of evaluating the fluorescence signal, there are other options which also fall within the scope of the present invention.

In 2 ist eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Inline-Messgeräts 3 für die Analyse eines Mediums 4 in einem Behälter 5 gezeigt. Der Behälter 5 ist Teil einer Prozessanlage und kann unter anderem ein Tank, ein Rohr oder eine Rinne sein. Das Inline-Messgerät 3 weist eine Sensoreinheit 6 mit einer Sensorkomponente 7 auf, welche zumindest teilweise mit dem Medium 4 in Kontakt steht. Zudem umfasst die Sensoreinheit 6 eine Anregungseinheit 8 zur optischen Anregung der Sensorkomponente 7 sowie eine Detektionseinheit 9 zur Detektion eines von den Kernspinresonanzen des Mediums 4 beeinflussten Fluoreszenzsignals, anhand dessen eine Auswerteeinheit 10 mindestens eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft des Mediums 4 ermittelt. Die genaue Anordnung der Einheiten sowie der eventuelle Einsatz von weiteren optischen Elementen ergibt sich für den Fachmann von selbst.In 2 a first embodiment of the inline measuring device 3 according to the invention for the analysis of a medium 4 in a container 5 is shown. The container 5 is part of a process plant and can be a tank, a pipe or a trough, among other things. The inline measuring device 3 has a sensor unit 6 with a sensor component 7 which is at least partially in contact with the medium 4 . In addition, the sensor unit 6 includes an excitation unit 8 for optically exciting the sensor component 7 and a detection unit 9 for detecting a fluorescence signal influenced by the nuclear magnetic resonances of the medium 4, based on which an evaluation unit 10 determines at least one chemical and/or physical property of the medium 4. The exact arrangement of the units and the possible use of further optical elements is obvious to the person skilled in the art.

Im in 2 gezeigten Beispiel ist die Sensoreinheit 6 zumindest teilweise auf dem ersten Messarm 11a angeordnet, welcher zumindest teilweise in den Behälter 5 hineinragt. Dabei ist zumindest die Sensorkomponente 7 innerhalb des Behälters 5 angeordnet, wohingegen die weiteren Komponenten wie die Anregungseinheit 8, die Detektionseinheit 9 und die Auswerteinheit 10 ggf. außerhalb des Behälters 5 angeordnet sind. Bei der Sensorkomponente 7 handelt es sich beispielsweise um zumindest einen Kristallkörper 7a mit zumindest einer Fehlstelle, wie einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum. Alternativ kann es sich bei der Sensorkomponente 7 um eine Gaszelle 7b handeln, bei welcher zumindest ein gasförmiges Alkalimetall in einer Zelle eingeschlossen ist.in 2 In the example shown, the sensor unit 6 is at least partially arranged on the first measuring arm 11a, which protrudes at least partially into the container 5. At least the sensor component 7 is arranged inside the container 5 , whereas the other components such as the excitation unit 8 , the detection unit 9 and the evaluation unit 10 are optionally arranged outside the container 5 . The sensor component 7 is, for example, at least one crystal body 7a with at least one defect, such as a diamond with at least one nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect or hexagonal boron nitride with at least one defect color center. Alternatively, the sensor component 7 can be a gas cell 7b in which at least one gaseous alkali metal is enclosed in a cell.

Optional kann ein Induktor 16 in oder an der Sensoreinheit 6 angeordnet sein, welcher dazu ausgestaltet ist, eine Vorzugspolarisation der Kernspins des Mediums 4 zu induzieren. Beispielsweise ist der Induktor eine Magnetfeldeinrichtung, welche ein Magnetfeld zumindest in einem Bereich des Mediums 4 und im Bereich der Sensoreinheit 6 erzeugt.Optionally, an inductor 16 can be arranged in or on the sensor unit 6, which is designed to induce a preferred polarization of the nuclear spins of the medium 4. For example, the inductor is a magnetic field device that generates a magnetic field at least in one area of the medium 4 and in the area of the sensor unit 6 .

Für Wartungsarbeiten am Inline-Messgerät kann optional eine Servicekammer 12 im Bereich der Wandung des Behälters 5 vorgesehen sein, um die Sensoreinheit 6 in die Servicekammer einzufahren und dort beispielsweise reinigen zu können. Die Servicestellung des ersten Messarms 11a in der Servicekammer 12 ist in 3 gezeigt. Die 2 zeigt dabei die entsprechende Prozessstellung des ersten Messarms 11a.For maintenance work on the inline measuring device, a service chamber 12 can optionally be provided in the area of the wall of the container 5 in order to be able to move the sensor unit 6 into the service chamber and clean it there, for example. The service position of the first measuring arm 11a in the service chamber 12 is in 3 shown. The 2 shows the corresponding process position of the first measuring arm 11a.

Alternativ kann die Sensorkomponente 7 zumindest teilweise im Bereich einer Wandung 15 des Behälters 15 angeordnet sein, wie beispielhaft in 4 gezeigt. Die Sensorkomponente 7 ist dabei frontbündig zum Medium oder mit der Wandung 15 abschließend angeordnet. Die Anregungseinheit 8 und/oder die Detektionseinheit 9 und/oder die Auswerteinheit 10 sind im Bereich der Wandung 15 oder außerhalb der Behälters 5 angeordnet.Alternatively, the sensor component 7 can be arranged at least partially in the area of a wall 15 of the container 15, as shown in FIG 4 shown. The sensor component 7 is arranged flush with the medium or with the wall 15 . The excitation unit 8 and/or the detection unit 9 and/or the evaluation unit 10 are arranged in the area of the wall 15 or outside of the container 5 .

Eine weitere alternative Ausgestaltung des Inline-Messgeräts 3 ist in 5 gezeigt. Dabei ist die Sensorkomponente 7 und/oder die Detektionseinheit 9 zumindest teilweise auf einem zweiten Messarm 11b angeordnet, welcher zumindest teilweise innerhalb des Behälters 5 angeordnet ist. Die Anregungseinheit 8 ist nicht explizit gezeigt, das Anregungslicht der Anregungseinheit 8 wird jedoch durch die Lichtleitfasern 20 zur Sensorkomponente 7 geführt. Optional ist eine Blende 14 im Bereich der Sensoreinheit 6 angeordnet, so dass das Medium 4 durch Adhäsion zumindest im Bereich der Sensorkomponente 7 teilweise festgehalten wird.Another alternative embodiment of the inline measuring device 3 is in 5 shown. The sensor component 7 and/or the detection unit 9 is at least partially arranged on a second measuring arm 11b, which is at least partially arranged inside the container 5. The excitation unit 8 is not explicitly shown, but the excitation light from the excitation unit 8 is guided through the optical fibers 20 to the sensor component 7 . A screen 14 is optionally arranged in the area of the sensor unit 6 so that the medium 4 is partially held in place by adhesion at least in the area of the sensor component 7 .

Weiterhin ist beispielhaft ein Mechanismus 13 vorgesehen, welcher für einen einstellbaren Abstand zwischen dem ersten Messarm 11a und dem zweiten Messarm 11b sorgt. In 5 sind der erste Messarm 11a und der zweite Messarm 11b mittels des Mechanismus 13 aufeinander zu und voneinander weg bewegbar, so dass bei einem minimalen Abstand der beiden Messarme beide Sensorkomponenten 7 die Blende 14 berühren. In der Öffnung der Blende 14 wird somit Medium 4 festgehalten, bis die beiden Messarme wieder voneinander wegbewegt werden. Die Blende 14 kann jedoch alternativ auf einem einzelnen ersten Messarm 11a angeordnet sein, um so das Medium 4 im Bereich der Sensorkomponente 7 festzuhalten.Furthermore, a mechanism 13 is provided by way of example, which ensures an adjustable distance between the first measuring arm 11a and the second measuring arm 11b. In 5 the first measuring arm 11a and the second measuring arm 11b can be moved towards and away from one another by means of the mechanism 13, so that both sensor components 7 touch the screen 14 when the distance between the two measuring arms is minimal. Medium 4 is thus held in the opening of the diaphragm 14 until the two measuring arms are moved away from one another again. However, the aperture 14 can alternatively be arranged on a single first measuring arm 11a in order to hold the medium 4 in the area of the sensor component 7 .

In 5 ist eine optionale Mikrowellenantenne 19 gezeigt, welche zur Anregung der Sensorkomponente und/oder zur Anregung des Mediums eingesetzt werden kann. Die Mikrowellenantenne 19 kann beliebig mit den anderen Ausgestaltungen kombiniert werden.In 5 an optional microwave antenna 19 is shown, which can be used to excite the sensor component and/or to excite the medium. The microwave antenna 19 can be arbitrarily combined with the other configurations.

Während in 5 der erste Messarm 11a und der zweite Messarm 11b als separate Messarme ausgestaltet sind, ist in 6 ein Beispiel für eine Anordnung aus zwei miteinander verbundenen Messarmen gezeigt. Der Abstand zwischen den beiden Messarmen ist so bemessen, dass das Medium durch Adhäsion zumindest im Bereich der Sensorkomponente 7 teilweise zwischen dem ersten Messarm 11 a und dem zweiten Messarm 11b festgehalten wird. Dies kann auch im Falle der beiden zueinander beweglichen Messarme im Beispiel der 5 erfolgen. Der Übersichtlichkeit halber sind die weiteren Einheiten der Sensoreinheit 6 nicht dargestellt. Die Anordnung ergibt sich für den Fachmann von selbst, wobei die anderen Figuren als Beispiele für die Anordnung der Anregungseinheit, Detektionseinheit, Auswerteeinheit, Induktor etc. herangezogen werden können.while in 5 the first measuring arm 11a and the second measuring arm 11b are designed as separate measuring arms, is in 6 an example of an arrangement of two measuring arms connected to one another is shown. The distance between the two measuring arms is dimensioned such that the medium is partially held between the first measuring arm 11a and the second measuring arm 11b by adhesion, at least in the region of the sensor component 7 . This can also be the case in the case of the two mutually movable measuring arms in the example 5 take place. For the sake of clarity, the other units of the sensor unit 6 are not shown. The arrangement is self-evident for the person skilled in the art, with the other figures being used as examples for the arrangement of the excitation unit, detection unit, evaluation unit, inductor, etc.

Eine weitere Ausgestaltung des Inline-Messgeräts 3 ist in 7 gezeigt. In diesem Beispiel ist die Sensorkomponente zumindest teilweise auf einem dritten Messarm 11c angeordnet, welcher zwischen einem vierten Messarm 11d und einem fünften Messarm 11d vorgesehen ist. Alle drei Messarme sind zumindest teilweise innerhalb des Behälters 5 angeordnet. Die Anregungseinheit 8 und die Detektionseinheit 9 sind zumindest teilweise auf dem vierten Messarm 11d und dem fünften Messarm 11e angeordnet. In 5 sind die Anregungseinheit 8 und die Detektionseinheit 9 außerhalb des Behälters angeordnet, aber die mit ihnen verbundenen Lichtleitfasern sind in den beiden Messarmen 11d, 11e angeordnet. Auch die Ausgestaltung der Sensoreinheit 6 mit drei Messarmen kann optional über einen Mechanismus 13 verbunden sein.A further embodiment of the inline measuring device 3 is in 7 shown. In this example, the sensor component is at least partially arranged on a third measuring arm 11c, which is provided between a fourth measuring arm 11d and a fifth measuring arm 11d. All three measuring arms are at least partially arranged inside the container 5 . The excitation unit 8 and the detection unit 9 are arranged at least partially on the fourth measuring arm 11d and the fifth measuring arm 11e. In 5 the excitation unit 8 and the detection unit 9 are placed outside the container, but the optical fibers connected to them are placed in the two measuring arms 11d, 11e. The configuration of the sensor unit 6 with three measuring arms can also be optionally connected via a mechanism 13 .

In 8 ist eine weitere Ausgestaltung des Inline-Messgeräts 3 gezeigt, bei dem die Sensorkomponente 7 als ein Kristallkörper 7a mit zumindest einer Fehlstelle ausgestaltet ist. Der Kristallkörper 7a mit der zumindest einen Fehlstelle ist in Form einer Vielzahl von losen, granularen Teilelementen ausgestaltet, wie beispielsweise Kugeln. Die losen, granularen Teilelemente sind von einem Gehäuse 18 umgeben, welche die Teilelemente im Inneren des Gehäuses 18 festhält und teilweise durchlässig für das Medium 4 ist.In 8th a further embodiment of the inline measuring device 3 is shown, in which the sensor component 7 is designed as a crystal body 7a with at least one defect. The crystal body 7a with the at least one defect is designed in the form of a large number of loose, granular partial elements, such as spheres. The loose, granular sub-elements are surrounded by a housing 18 which holds the sub-elements inside the housing 18 and is partially permeable to the medium 4 .

BezugszeichenlisteReference List

11: Anregungslichtexcitation light
22: Fluoreszenzlichtfluorescent light
33: Inline-Messgerätinline meter
44: Mediummedium
55: Behältercontainer
66: Sensoreinheitsensor unit
77: Sensorkomponentesensor component
7a7a: Kristallkörper mit mindestens einer FehlstelleCrystal body with at least one defect
7b7b: Gaszellegas cell
88th: Anregungseinheitexcitation unit
99: Detektionseinheitdetection unit
1010: Auswerteeinheitevaluation unit
11a11a: erster Messarmfirst measuring arm
11b11b: zweiter Messarmsecond measuring arm
11c11c: dritter Messarmthird measuring arm
11d11d: vierter Messarmfourth measuring arm
11e11e: fünfter Messarmfifth measuring arm
1212: Servicekammerservice chamber
1313: Mechanismusmechanism
1414: Blendecover
1515: Wandungwall
1616: Induktorinductor
1717: lose, granulare Teilelementeloose, granular sub-elements
1818: GehäuseHousing
1919: Mikrowellenantennemicrowave antenna
2020: Lichtleitfasernoptical fibers

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2021079027 A1 [0005]
EP 3198264 B1 [0006]
EP 0550240 B1 [0010]

Claims

Inline measuring device (3) for analyzing a medium (4) in a container (5) in a process plant using nuclear spin resonances of the medium (4), the container (5) being in particular a tank, a pipe or a channel - a sensor unit (6) with a sensor component (7) which is at least partially in contact with the medium (4), the sensor unit (6) having an excitation unit (8) for optically exciting the sensor component (7) and a detection unit (9 ) for detecting a fluorescence signal influenced by the nuclear spin resonances of the medium (4), - An evaluation unit (10) which determines at least one chemical and/or physical property of the medium (4) on the basis of the fluorescence signal.

Inline measuring device claim 1 , wherein the sensor component (7) has at least one crystal body (7a) with at least one defect or at least one gas cell (7b).

Inline measuring device claim 2 , wherein the crystal body (7a) is a diamond with at least one nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect or hexagonal boron nitride with at least one defect color center.

Inline measuring device claim 2 , wherein the gas cell (7b) is a cell enclosing at least one gaseous alkali metal.

Inline measuring device according to at least one of Claims 1 - 4 wherein the sensor unit (6) is at least partially arranged on a first measuring arm (11a) which is at least partially arranged inside the container (5).

Inline measuring device claim 5 , wherein the first measuring arm (11a) is movable between a service position and a process position, wherein the first measuring arm (11a) is located in a service chamber (12) in the service position.

Inline measuring device claim 5 , wherein the sensor component (7) and/or the detection unit (9) are arranged at least partially on a second measuring arm (11b) which is arranged at least partially within the container (5).

Inline measuring device claim 6 , wherein the first measuring arm (11a) and the second measuring arm (11b) are configured as two separate measuring arms or as two measuring arms connected to one another.

Inline measuring device claim 8 , A mechanism (13) being provided on the first measuring arm (11a) and/or on the second measuring arm (11b) which ensures an adjustable distance between the first measuring arm (11a) and the second measuring arm (11b).

Inline gauge at least one of the Claims 7 - 9 , wherein an optionally adjustable distance between the first measuring arm (11a) and the second measuring arm (11b) is designed in such a way that the medium (4) is partly stuck between the first measuring arm (11a ) and the second measuring arm (11b).

Inline measuring device according to at least one of Claims 5 - 10 , A screen (14) being arranged in the area of the sensor unit (6) in such a way that the medium (4) is partially held in place by adhesion at least in the area of the sensor component (7).

Inline measuring device according to at least one of Claims 1 - 4 , wherein the sensor component (7) is at least partially arranged on a third measuring arm (11c), wherein the third measuring arm (11c) is arranged between a fourth measuring arm (11d) and a fifth measuring arm (11e), wherein the third measuring arm (11c) , the fourth measuring arm (11d) and the fifth measuring arm (11e) are arranged at least partially within the container (5), the excitation unit (8) and the detection unit (9) being at least partially on the fourth measuring arm (11d) and/or on the fifth measuring arm (11e) are arranged.

Inline measuring device according to at least one of Claims 1 - 4 , the sensor component (7) being arranged at least partially in the area of a wall (15) of the container (5), the excitation unit (8) and/or the detection unit (9) being in the area of the wall (15) or outside the container ( 5) are arranged.

Inline measuring device according to at least one of Claims 1 - 13 , wherein an inductor (16) is provided which is designed to induce a preferential polarization of the nuclear spins of the medium (4), wherein the inductor (16) is in particular a magnetic field device which generates a magnetic field at least in a region of the medium (4) and generated in the area of the sensor unit (6).

Inline measuring device according to at least one of Claims 1 - 14 , Wherein the sensor component (7) is designed as a crystal body (7a) with at least one defect, the crystal body (7a) being designed as a multiplicity of loose, granular partial elements, the multiplicity of loose, granular lar sub-elements are enclosed in particular by a partially medium-permeable housing (18).